绿皮车为什么不能提速到动车的水平?

作者: 七君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2019-01-27 11:02:00

绿皮车不能提速到动车水平的原因主要在于火车车轮的蛇形振荡问题,这种振荡在高速时会变得异常剧烈,可能导致脱轨。通过改良车轮设计和使用抗偏器,可以提高火车的运行速度,但仍需在安全范围内控制速度。

我们都知道,汽车可以在马路上加速减速,还可以上高速。那么,火车,尤其是绿皮车为什么不能加速呢,它们明明享用了独占的铁道,只要事先把各个班次的火车调配好,大家都提速,不就可以让乘客快点到站吗?这个想法当然是美好的,但是现实却很残酷。火车是不能随便提速的,因为提速会出大事啊!

其实,早在火车诞生之初,许多铁道工程师也有给火车提速的想法,但当他们真的开始做了以后,就发现提速后的火车会开始致命扭腰——蛇行振荡(Hunting oscillation)。蛇形振荡的本质是火车车轮的形状,以及车轮和铁轨接触面的受力(蠕滑力)导致的。火车车轮和汽车车轮不一样,并不是平整的圆柱体,而是圆锥形的。

在火车车轮内侧靠近铁轨的地方,还有一个叫做轮缘(flange)的硬片,平时它和铁轨并不接触。但是在关键时刻,它可以拉车轮一把,防止火车脱轨。

蛇形振荡在低速时并不明显,但当车轮高速运转时,蛇形振荡会变得异常剧烈,损坏轨道和车轮,甚至导致火车在平直的轨道上脱轨。

由于蛇形振荡的存在,火车的车速都必须压在一个值以下,这个速度就被称为蛇行运动的临界速度(critical hunting velocity)。也因为蛇形振荡的天然障碍,在20世纪60年代,人们产生了抛弃传统火车的想法,那时候许许多多的人开始设法设计气垫火车或者磁悬浮系统来完全摆脱传统铁轨的限制。

好在在60年代,英国铁路公司(the British Rail)对传统火车进行了改良,他们通过实验发现,改良后的火车速度可以超过每小时290千米。此后,大多数高速火车都是采用英国铁路公司的设计。他们首先减少了车轮的锥角(锥角越小,车轮看起来越平),并且配上了吸收震动的抗偏器(yaw damper)。经过了这样的改良,新干线的最高运行速度达到了每小时225千米。

不过到目前为止,火车最高时速的纪录属于法国人。2007年4月3日,法国高铁——法国高速列车(TGV)创造了每小时574.9千米的世界纪录。实际上是秋季更容易发生火车晚点。晚点的原因你猜不到,和植物有关。根据英国国家铁路的介绍,植物的叶子浸泡了水以后,会形成一种类似于不粘锅上的特富龙的物质——果胶(pectin)。果胶覆盖在铁轨上,会变成天然润滑剂,让火车轮子打滑。

为了防止溜出轨道人仰车翻,秋季的火车就必须经常刹车,也不能大力地加速,这就容易导致晚点。

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